Em 28 de outubro, horário local, a Substrate, um novo fabricante americano de equipamentos de litografia, anunciou que desenvolveu uma nova máquina de litografia que é capaz de competir com o fabricante líder mundial de máquinas de litografia, a mais avançada máquina de litografia High NA EUV da ASML, vendida por quase US$ 400 milhões cada.
Segundo relatos, a Substrate desenvolveu uma máquina de litografia que usa raios X como fonte de luz. Esta fonte de luz é gerada por um acelerador de partículas e tem um comprimento de onda mais curto do que a fonte de luz da mais recente máquina de litografia High NA EUV da ASML, por isso pode melhorar significativamente a resolução.
O CEO da Substrate, James Proud, disse em entrevista à Reuters que espera reduzir significativamente o custo de fabricação de chips de processo de ponta, produzindo equipamentos a um custo menor do que os concorrentes.
△Um técnico de substrato mostra um wafer de silício de 12 polegadas no local.
No entanto, o desenvolvimento de processos avançados de chips que possam competir com a TSMC custa bilhões de dólares e tem sido um desafio para empresas como Intel e Samsung. As fábricas de processos avançados de hoje custam mais de US$ 15 bilhões para serem construídas e exigem conhecimento especializado para construir e operar. Proud disse que a empresa não recebeu financiamento direto do governo, mas as autoridades dos EUA demonstraram interesse nos esforços da Substrate. “Acho que o mais importante é que o que fazemos tem que ser comercialmente viável por si só”, disse Proud.
A Substrate está sediada em São Francisco e foi fundada em 2022 por James Proud e seu irmão Oliver. James Proud, que não tinha experiência na indústria de semicondutores ou no uso de aceleradores de partículas, contratou um físico de partículas e um especialista em óptica com experiência no uso de aceleradores de partículas em um laboratório nacional dos EUA. A equipe de pesquisa se expandirá para 50 pessoas, incluindo alguns engenheiros da TSMC, IBM e Google.
Em 2024, a Substrate começou a procurar um local para sua primeira fábrica. Ela manteve discussões com a Texas A&M University sobre a construção de um acelerador de partículas e uma fábrica em seu campus a um custo de cerca de US$ 10 bilhões.
Atualmente, a Substrate recebeu US$ 100 milhões em financiamento de instituições de investimento e investidores como Founders Fund, General Catalyst, Valor Equity Partners e Peter Thiel, fazendo com que a avaliação da empresa ultrapassasse US$ 1 bilhão.
Trae Stephens, sócio do Founders Fund e líder do caso de investimento Substrate, acredita que este é um momento muito importante na história e deve ser feito da maneira certa. Há muita pressão sobre o governo para encontrar formas de garantir que os Estados Unidos tenham uma cadeia de fornecimento de semicondutores confiável e resiliente, e esta é uma oportunidade que a Proud está aproveitando.
Proud disse que espera melhorar as capacidades de fabricação de chips nos Estados Unidos porque empresas de tecnologia dos EUA, como Nvidia e Apple, dependem excessivamente de empresas estrangeiras para a produção avançada de semicondutores. Embora Proud e seu irmão não tenham experiência na fabricação de semicondutores, ele acredita que isso é uma vantagem porque, se tivessem experiência, talvez não achassem que conseguiriam fazê-lo.
Proud afirma que seu método pode reduzir o custo de produção de wafers de processo de ponta de cerca de US$ 100.000 para "quase US$ 10.000", com o objetivo de iniciar a produção em massa até 2028. Ele disse que o objetivo da Substrate é produzir chips com uma "estrutura de custos que permita aos Estados Unidos competir com a China".
Jeff Koch, analista da empresa de pesquisa SemiAnalysis, disse que se o Substrate conseguir reduzir significativamente os custos de fabricação de chips, isso poderá ter um efeito secundário, assim como a SpaceX se esforça para reduzir os custos de lançamento de foguetes, promovendo assim mais exploração espacial. "Eles acreditam firmemente que a parte da exposição é o primeiro problema que deve ser resolvido na conclusão de suas próprias tarefas de processo. Em última análise, isso substituirá a TSMC e a ASML."
Levando os Estados Unidos de volta ao domínio na fabricação de semicondutores
Substrate disse que os Estados Unidos inventaram todas as tecnologias básicas de semicondutores modernos, incluindo transistores, circuitos integrados, transistores de efeito de campo (FETs), semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS), transistores de efeito de campo fin (FinFETs), tecnologia de fotolitografia, tecnologia de litografia ultravioleta extrema (EUV), etc.
"A história da litografia avançada é uma história de engenhosidade científica americana e erros comerciais."
Substrate observou que a pesquisa em litografia EUV começou na década de 1990 em laboratórios nacionais dos EUA, onde muitas das primeiras fontes de luz, óptica e tecnologias de resistência (fotorresiste) foram desenvolvidas. Apesar destes avanços fundamentais, as tentativas dos EUA de comercializar estas tecnologias estagnaram depois de os prazos e os custos terem disparado. Isto resultou na transferência e licença de propriedade intelectual crítica e liderança na produção no exterior, consolidando o atual domínio estrangeiro e o monopólio em ferramentas de litografia.
"Temos grande respeito pelas conquistas dos pioneiros e das empresas que criaram a atual revolução dos semicondutores de IA e pela incrível engenharia utilizada na criação de maravilhas modernas como o EUV ao longo das décadas. Mas para que os Estados Unidos recuperem o seu legítimo lugar como líder na produção de semicondutores, não podemos repetir os erros do passado", disse Substrate.
Com o atual crescimento explosivo da inteligência artificial e da robótica, a procura por chips cresce exponencialmente ano após ano. No entanto, o número de fábricas de semicondutores existentes nos Estados Unidos limita a capacidade de produção de chips. Ao mesmo tempo, os Estados Unidos também enfrentam desafios colocados pelo rápido desenvolvimento da indústria de semicondutores da China e pelos seus planos de competir com os Estados Unidos no domínio da inteligência artificial.
Substrate observou que os custos crescentes de construção e equipamento de fábricas avançadas de semicondutores, juntamente com graves lacunas na cadeia de abastecimento doméstica dos EUA, estão a impedir todo o potencial dos EUA para recuperar o domínio na produção de semicondutores.
△ Matriz de contatos lógicos aleatórios com dimensão crítica de 12 nm e passo de ponta de 13 nm com alta fidelidade de padrão.
A Substrate afirmou que a empresa foi fundada originalmente para devolver aos Estados Unidos a sua posição dominante na fabricação de semicondutores. Suas principais crenças são as seguintes:
1. Os custos de fabricação de semicondutores estão fora de controle. Sem novas inovações tecnológicas fundamentais, os custos continuarão a aumentar;
2. Os Estados Unidos dependem perigosamente de fontes de riscos geopolíticos e da cadeia de abastecimento que não podem controlar diretamente;
3. A única oportunidade para os Estados Unidos recuperarem o domínio na produção de semicondutores é criar uma nova fundição, mais integrada verticalmente, que continue a impulsionar a Lei de Moore em termos de desempenho e custo;
Para atingir esse objetivo, a Substrate está construindo fábricas de semicondutores de próxima geração para devolver aos Estados Unidos o domínio na produção de semicondutores, usando sua mais recente tecnologia de litografia, uma nova tecnologia avançada de litografia de raios X, como driver principal.
Usando tecnologia de litografia de raios X
Atualmente, os chips de processo avançado fabricados pela indústria de semicondutores a 7 nm e abaixo dependem das máquinas de litografia EUV (ultravioleta extremo) da ASML, e os próximos processos de nível angstrom contarão com as mais recentes máquinas de litografia High NA EUV da ASML. No entanto, a máquina de litografia EUV da ASML é vendida por mais de US$ 150 milhões, e sua máquina de litografia EUV de alto NA é vendida por quase US$ 400 milhões. Isso também fez com que os custos de fabricação de chips de tecnologia de processo de ponta continuassem a subir.
Substrate disse que, para obter reduções significativas nos custos de fabricação de chips, “devemos inventar uma nova tecnologia que possa produzir os principais padrões necessários para os chips avançados de hoje que sejam mais baratos, mais simples, mais capazes e mais rápidos de construir”.
Atualmente, a máquina de litografia EUV da ASML usa fonte de luz EUV com comprimento de onda de 13,5 nm. Para produzir, coletar e transmitir luz EUV, é necessário um conjunto completo de sistemas complexos, o que também é a chave para o alto custo da máquina de litografia EUV da ASML.
A esse respeito, a Substrate está voltada para raios X com comprimentos de onda mais curtos do que as fontes de luz EUV (comprimentos de onda entre 0,01 nm e 10 nm), de modo que a resolução da fotolitografia também é maior e os padrões finos necessários podem ser gravados diretamente no wafer de silício, sem sequer exigir uma máscara fotográfica.
No entanto, Xinzhixun aprendeu que devido à alta energia e forte penetrabilidade dos raios X, o índice de refração na superfície da maioria dos materiais é próximo de 1, resultando em refletividade extremamente baixa. Portanto, a maioria das máquinas de litografia de raios X usa escrita direta em pastilhas de silício para gravar padrões. No entanto, a desvantagem desta solução de litografia de raios X de escrita direta é que a velocidade é muito lenta e difícil de atender às necessidades modernas de produção em massa.
E a julgar pelas informações relevantes, a tecnologia de litografia de raios X não é uma tecnologia nova. Os Estados Unidos, a Europa, a Rússia e a China estudaram-no. No entanto, devido a questões de eficiência, não existe uma máquina de litografia de raios X que possa produzir chips de processo avançado em larga escala. Muitos deles são usados para pesquisas laboratoriais e outras necessidades.
No entanto, de acordo com Xinzhixun, a litografia de raios X não é completamente incapaz de alcançar a produção em massa em larga escala de fabricação eficiente de chips semelhantes às soluções de litografia EUV, mas enfrenta uma série de problemas que precisam ser superados.
1. Potência e estabilidade da fonte de luz: Para alcançar uma produção em massa economicamente viável, é necessária uma fonte de luz de raios X com brilho extremamente alto, estabilidade e custo controlável.
2. Fotorresiste e compatibilidade de materiais: A alta energia de fótons dos raios X tem baixa eficiência de interação com materiais fotorresistentes tradicionais, e um novo sistema fotorresistente precisa ser desenvolvido.
3. Falta de componentes ópticos eficientes: os raios X são fortemente absorvidos por quase todos os materiais, dificultando a criação de refletores de filme multicamadas eficientes como o EUV para controlar o feixe. Como resultado, a litografia de raios X pode ter que adotar a abordagem tecnicamente menos difícil "litografia de gravação direta", mas isso trará novas limitações na resolução e no rendimento.
4. Falta de ecossistema: Um conjunto completo de tecnologias de apoio em torno da litografia de raios X, tais como máscaras, películas protetoras (películas), etc., está atualmente quase em branco e precisa ser construído do zero.
A Substrate não detalhou como planeja usar a tecnologia de raios X para alcançar a produção em massa de chips avançados. Afirmou apenas que os resultados da litografia exibidos por sua máquina de litografia de raios X podem ser comparados com a litografia EUV de alto NA mais avançada da indústria atual, com resolução equivalente ao nó semicondutor de 2 nm e capacidade de superá-lo.
No entanto, a Substrate introduziu o método incomum de geração de fontes de luz de raios X que utiliza, ou seja, o uso de aceleradores de partículas para atingir a potência e estabilidade necessárias da fonte de raios X.
Segundo relatos, a equipe da Substrate projetou um novo tipo de fábrica de wafer verticalmente integrada que usa um acelerador de partículas para gerar o feixe mais brilhante do mundo e implementar um novo método avançado de litografia de raios X. "Nosso acelerador gera e aciona feixes X, produzindo luz bilhões de vezes mais brilhante que o sol, diretamente em nosso equipamento de litografia, cada um dos quais usa sistemas ópticos e mecânicos de alta velocidade inteiramente novos para produzir os menores recursos necessários para chips semicondutores avançados."
△Sinal de alerta na porta da sala de laser de substrato
△O cubo de vácuo na câmara de laser do substrato
"Nossa fonte de luz começa com uma cavidade de radiofrequência que usa um poderoso campo elétrico para acelerar pulsos de elétrons. Os elétrons percorrem cada onda sucessiva, ganhando energia e aumentando sua velocidade até quase a velocidade da luz. Para produzir luz, esses elétrons carregados e de alta energia passam por uma série de fortes campos magnéticos alternados, forçando-os a liberar energia na forma de luz brilhante e intensa. Esses pulsos brilhantes de luz são transmitidos e moldados por uma série de ópticas perfeitamente polidas, até a pastilha de silício. "
Entende-se que esta solução de fonte de luz também pode fornecer fontes de luz para vários equipamentos de litografia ao mesmo tempo, reduzindo ainda mais os custos. No entanto, uma vez que haja um problema com o dispositivo gerador da fonte de luz, isso também afetará o funcionamento normal de múltiplos equipamentos de litografia, portanto esta solução tem vantagens e desvantagens.
Além disso, a equipe da Substrate projetou, fabricou e poliu ópticas, criou milagres químicos, processou e montou grandes quantidades de metal e, por fim, produziu novas e avançadas tecnologias de litografia.
De acordo com o New York Times, a equipe da Substrate passou grande parte de 2023 construindo ferramentas de litografia personalizadas. Ele tem milhares de peças e é pequeno o suficiente para caber na traseira de um U-Haul. Eles testaram em simulações de computador.
No início de 2024, a Substrate conduziu um teste de sucesso ou falha em um acelerador de partículas. Proud disse que a empresa teve problemas quando vibrações perto de um acelerador de partículas fizeram a ferramenta girar e desfocar as imagens. Mas depois de um dia de busca frenética, descobriu-se que o sistema de ar condicionado estava causando vibrações, e o problema foi posteriormente resolvido até que o processo imprimiu repetidamente “padrões muito bonitos e minúsculos” na pastilha de silício.
A Substrate diz que esta tecnologia de litografia de raios X foi construída do zero para fabricação em alto volume – um feito de engenharia que muitas pessoas não imaginariam ser possível para uma startup como a Substrate realizar.
Segundo relatos, nos últimos anos, a Substrate investiu na construção de uma cadeia de abastecimento e continua a fortalecer as suas capacidades de integração vertical, permitindo-lhe avançar a uma velocidade que muitas vezes é inimaginável na indústria de semicondutores. Recentemente, a Substrate concluiu a primeira ferramenta interna de litografia wafer de 300 mm com qualidade de produção que opera na gravidade extrema necessária para atender ao rendimento da fabricação de ponta.
“Construir a máquina de litografia definitiva usando aceleradores de partículas trouxe novos desafios que nos levaram por um caminho completamente diferente do que outros já exploraram e alcançaram resultados antes considerados impossíveis”, escreveu a Substrate em seu site oficial.
Reduza os custos de fabricação de wafers de processo de ponta em 90%
O desenvolvimento de tecnologias-chave do futuro, como a inteligência artificial avançada e a robótica, depende do crescimento exponencial de chips avançados. Nas próximas décadas, a procura anual de chips não será medida em dezenas de milhões de wafers, mas em milhares de milhões de wafers.
Embora muitas pessoas estejam familiarizadas com a Lei de Moore, a Lei de Locke é a segunda lei mais importante na fabricação de semicondutores. Observou que o custo de construção de uma fábrica de semicondutores de ponta duplicava aproximadamente a cada quatro anos, com a instalação a crescer de mais de 5 mil milhões de dólares no início da década de 2010 para cerca de 25 mil milhões de dólares actualmente.
△Com o tempo, o custo das instalações de fabricação de semicondutores de ponta aumentou constantemente.
Espera-se que, até 2030, o custo de cada wafer de processo de ponta atinja US$ 100.000, e o custo de construção de cada fábrica de wafer de ponta exceda US$ 50 bilhões. No futuro, apenas as empresas mais poderosas serão capazes de fabricar produtos que utilizem silício de última geração. A economia desta escala é mais assustadora do que a física. Este modelo económico parece estar à beira do colapso.
△Custos históricos e esperados de wafers de última geração para clientes finais
A esse respeito, a Substrate declarou com orgulho: "Em comparação com nosso caminho atual de escalonamento de custos, temos um caminho para reduzir o custo do silício de ponta em uma ordem de grandeza. Até o final desta década (início de 2020 até final de 2029), a Substrate produzirá wafers de processo de ponta próximos a US$ 10.000 em vez de US$ 100.000."
Para alcançar um mundo onde a proliferação de chips avançados corresponda ao futuro científico que queremos imaginar, precisamos de reduzir o custo do silício e, ao mesmo tempo, expandir o número de empresas e inovadores que possam conceber e fabricar chips de última geração.
A IA reduzirá bastante os custos de design de chips e a fabricação se tornará um gargalo
Atualmente, projetar chips para processos de ponta é caro e complexo. Para os projetos mais desafiadores, poucas empresas conseguem gerenciar a complexidade e muito menos arcar com os custos.
A Substrate acredita que os modelos de IA já são capazes de ajudar os projetistas de chips a criar silício personalizado e que, em um futuro próximo, eles superarão os humanos nessa tarefa. O custo de projeto e verificação provavelmente cairá para quase zero, tornando o projeto de chips complexos acessível para quase todas as empresas.
Quando isso acontecer, a fabricação e produção desses chips se tornará o maior gargalo.
A Substrate disse que entende o poder da inteligência artificial na aceleração da inovação industrial. "Desde o primeiro dia, aproveitamos GPUs e TPUs para acelerar problemas anteriormente considerados intratáveis. Ao construir simulações completas da física que controla nossas máquinas, dos transistores que criaremos e dos projetos finais que eles conduzirão, comprimimos em dias problemas que antes levavam anos para serem resolvidos."
A indústria tecnológica dos EUA já está a construir a maior fábrica de inteligência artificial do mundo. A Substrate disse que construirá a fundição de semicondutores projetada por inteligência artificial mais avançada do mundo para servir a indústria de inteligência artificial dos EUA nas próximas décadas e garantir que futuros sistemas poderosos de inteligência artificial funcionem de cima para baixo na pilha dos EUA.
Quem controlará o futuro?
“Durante décadas, subestimamos repetidamente as capacidades de inovação da China, ao mesmo tempo que subinvestimos nas nossas.” A Substrate acredita que até o final desta década (início de 2020 até final de 2029), a China será autossuficiente na maioria, senão em todas, as ferramentas de fabricação de wafers semicondutores necessárias para a fabricação totalmente nacional de semicondutores, incluindo tecnologia avançada de litografia.
A indústria de semicondutores está numa encruzilhada. A China fez da produção avançada de semicondutores uma prioridade nacional, investindo pesadamente na moldagem e fabricação doméstica. “Em breve poderemos testemunhar mudanças tectônicas semelhantes na produção de semicondutores, com mudanças repentinas nas capacidades tecnológicas e na liderança, deixando-nos como uma nação lutando para lidar com capacidades que nunca imaginamos que surgiriam tão rapidamente”, escreveu Substrate. “Até o final desta década, os Estados Unidos ou a China controlarão o futuro da computação e da indústria de inteligência artificial construída sobre ela.”
"Durante anos, muitos falaram sobre a necessidade de uma nova fábrica americana pura, mas consideraram isso uma tarefa impossível. A história mostrou repetidamente que a ciência e a engenharia americanas podem resolver o impossível." Substrate enfatizou: "À medida que corremos para construir fábricas de semicondutores mais contemporâneas nos Estados Unidos hoje, precisamos começar a construir agora as fábricas de semicondutores de amanhã."
Curiosamente, o Substrate funciona num armazém industrial perto do Design District de São Francisco, um espaço dividido ao meio por uma bandeira americana de 3,6 metros de altura, e as áreas de espera dos visitantes estão repletas de livros sobre a rivalidade EUA-China, como The Next Big War: Can the United States and Its Allies Defeat China? 》.